鉛酸蓄電池快速充電模糊控制技術研究

摘 要:針對鉛酸蓄電池充電過程具有非線性、時變性、滯后性的特點，提出模糊控制充電的思想，設計了雙輸入/單輸出模糊控制器。確定充電模糊控制器的總體結構以及模糊輸入和模糊輸出，建立了模糊控制規(guī)則表，給出了推理步驟以及反模糊化方法，構建了快速充電系統(tǒng)。實驗證明，采用新型控制策略的充電方法對蓄電池充電，可減少充電時間，提高充電效率，具有重要的實際意義和推廣價值。

關鍵詞:快速充電; 模糊控制; 模糊推理; 移相全橋

中圖分類號:TN86; TP202 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0202-03

Fuzzy Control for Lead-Acid Battery Fast Charging

LI Kuang-cheng，F(xiàn)AN Yan-cheng， YANG Ya-li

(Department of Control Engineering， The Armored Forces Engineering College， Beijing 100072， China)

Abstract: An idea of fuzzy control charge is proposed aimed at non-linear， time-varying and delay in the process of lead-acid battery fast charging，a fuzzy controller of dual-input and single output was designed. The overall structure， fuzzy input and output of the fuzzy controller were ascertained， the fuzzy control rules table was built， the inference process and defuzzification means was proved， the fast charging system was conceived. The experiment shows that the charging method with new control strategy can reduce the charging time and improve the charging efficiency for the battery charging. It has important practical significance and application value.

Keywords: fast charging; fuzzy control; fuzzy inference; phase-shifted full-bridge

0 引 言

目前，鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價格低廉而廣泛應用于國民經濟各領域。然而，長期以來由于技術條件的限制，傳統(tǒng)的充電技術具有充電時間長、過充、欠充、析氣等多種缺點，遠不能適應現(xiàn)代生產和生活的需要。因此，如何實現(xiàn)快速、高效、微損地對蓄電池科學充電，一直是蓄電池應用領域最關心的問題[1-2]。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是建立在被控對象精確的數(shù)學模型基礎上的，如果被控對象的數(shù)學模型很復雜或較難建立時，控制系統(tǒng)就較難實現(xiàn)。蓄電池正屬于這種情況，由于蓄電池的充電過程有自己獨特的物理化學規(guī)律，因此考慮采用模糊控制進行蓄電池的充電控制[3]。

1 鉛酸蓄電池快速充電理論依據(jù)

提高蓄電池的充電速度，必須提高充電電流的數(shù)值，而蓄電池并非在任何條件下對任何充電電流都可以接受。20世紀60年代中期，美國科學家馬斯(J.A.MAS)提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，即任一時刻蓄電池能接受的充電電流為:

I=I0expAt

式中:I0為初始充電電流;A為充電接受比;t為充電時間。

如圖1所示為蓄電池的最佳充電曲線[4]。可以看出，充電電流隨時間按指數(shù)規(guī)率下降。超過這一條自然接受曲線的任何電流，不僅不能提高充電速度，而且還會導致電解水反應，產生氣體、增大壓力和溫升。而小于這一接受特性曲線的充電電流均為蓄電池充電接受電流，不過這延長了充電時間。

圖1 鉛酸蓄電池充電接受特性曲線

2 充電模糊控制器的設計

充電模糊控制器的基本組成如圖2所示，共有3個主要的功能模塊:模糊化模塊、模糊推理模塊、清晰化模塊[5]。模糊控制器的核心部分是包含語言規(guī)則的規(guī)則庫和模糊推理。

2.1 模糊化

經驗證明，雖然電池存在個體差異，但是在蓄電池充電時，電壓的上升斜率趨勢大致相同，同時當蓄電池電壓接近飽和時，電壓的變化率很大。基于以上特點，選擇模糊控制器的輸入為蓄電池理想電壓最大值與實測值的差E和相鄰兩個電壓檢測值的變化率EC，輸出量為充電電流的變化量U[6]。

在充電過程中，端電壓總處于上升階段，因此E的語言變量選PS，PM，PL，PVL，其量化論域為(0，+1，+2，+3，+4，+5，+6)的隸屬函數(shù)如圖3所示。誤差變化率EC與輸出變量U均選NB，NS，ZE，PS，PB為語言變量，其量化論域為(-3，-2，-1，0，+1，+2，+3)的隸屬函數(shù)如圖4所示。

圖2 充電模糊控制器組成

圖3 E的隸屬函數(shù)

圖4 EC，U的隸屬函數(shù)

輸入變量可通過公式:E=〈KE(E-EH+EL2)〉和EC=〈KEC(EC-ECH+ECL2)〉實現(xiàn)實際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉化。其中:Ke=6/(EH-EL)，KEC=6/(ECH-ECL);EH，ECH代表高限值;EL，EL代表低限值;〈#8226;〉代表取整[7]。

2.2 模糊推理

模糊推理是將固定的控制規(guī)則的前件與后件中語言變量所對應的模糊關系集進行模糊運算。控制規(guī)則來源于手控的操作經驗和已取得的試驗數(shù)據(jù)。由操作經驗和試驗數(shù)據(jù)可得圖5所示的模糊控制規(guī)則表[8]。

表1 模糊控制規(guī)則表

EC

U

E

PSPMPLPVL

NBPLPMZENM

NSPLPSNSNL

ZEPLZENMNL

PSPLNSNLNL

PBPMNMNLNL

根據(jù)模糊輸入和規(guī)則庫中蘊含的輸入輸出關系，可得到模糊控制器的輸出模糊值C*為:

C*=(A*×B*) #8226; R (1)

式中:A*，B*為模糊輸入，R為規(guī)則庫中蘊含的模糊關系。

2.3 清晰化

由模糊推理得到的模糊輸出值C*是輸出論域上的模糊子集，只有其轉化為精確控制量，才能施加于對象。清晰化方法有3種:

(1) 最大隸屬度法，即選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量。

(2) 加權平均法，以隸屬度為系數(shù)求出加權平均值，以此作為執(zhí)行量。

(3) 取中位數(shù)法，即選取模糊子集的隸屬函數(shù)曲線和橫坐標所圍成區(qū)域面積平分為兩部分的數(shù)[9]。這里我們選擇加權平均法，它能較準確的利用模糊子集提供的信息量。

U*=[ ∑iμ(ui)#8226;ui] /∑iμ(ui)(2)

求出U*后再乘以比例因子，即可得到被控對象的實際控制量。

通過模糊化、模糊推理、清晰化接口的設計，一個完整的模糊控制器就構建成功了。當系統(tǒng)在線運行時，如果對每次采樣，都要進行一次模糊化、模糊推理、去模糊化，則運算十分繁瑣，將占用大量的計算機資源并影響系統(tǒng)的實時性。所以可以將可能出現(xiàn)的E和EC取值，計算出相應的輸出量U，最后生成模糊查詢表，將其固化到單片機中。

3 快速充電系統(tǒng)的組成

鉛酸蓄電池快速充電系統(tǒng)由充電主電路和單片機控制電路組成。主電路采用移相全橋變換電路，采用移相控制的方式來調節(jié)輸出電流，可以不用調節(jié)單個開關管的占空比，簡化了控制電路，并且對抑止偏磁有好處[10]。其結構如圖5所示。控制電路采用西門子公司的C054單片機，通過對蓄電池端電壓信號的采集，分析處理，模糊推理，模糊決策等控制主電路IGBT的通斷，來控制充電電流。系統(tǒng)的總體結構如圖6所示。

圖5 移相全橋變換電路

圖6 系統(tǒng)總體框圖

4 試驗結果分析

為了同模糊控制模式充電方法做比較，同時采用兩階段控制模式充電方法做充電試驗。試驗用12 V/9 Ah VRLA的蓄電池最大充電電流為3 A。圖7所示為兩種充電模式下電流變化曲線。

圖7 充電電流大致變化曲線圖

根據(jù)曲線可得到以下結論:

(1) 兩階段控制模式下充電時間為6.4 h，模糊控制充電模式下充電時間為5.5 h，充電時間縮短了不止1 h，說明模糊控制充電模式下充電速度更快;

(2) 蓄電池最大可接受電流為3 A，為安全起見，兩階段恒流充電的最大充電電流設定為2.6 A，而模糊 充電控制模式下最大充電電流將接近3 A，說明模糊控制充電模式下具有自動識別最大可接受充電電流的能力。

(3) 同時充電過程中監(jiān)測蓄電池溫度，模糊控制充電模式下溫升為18.6 ℃，而兩階段恒流模式下溫升為20.6 ℃，說明模糊控制充電模式下充電效率更高。

5 結 語

通過對采用模糊控制的智能充電系統(tǒng)進行側試，并與采用傳統(tǒng)充電方法的充電效果相比較發(fā)現(xiàn)其具有以下優(yōu)點:充電快速、效率高、充電安全、電池溫升低，不會損壞電池或縮短電池壽命。可見，采用基于模糊控制技術的智能充電系統(tǒng)，可實現(xiàn)充電過程的智能化和快速化，具有重要實際意義和推廣價值。

參考文獻

[1]鐘靜宏，張乘寧，張旺.電動汽車的鉛酸蓄電池快速脈沖充電系統(tǒng)[J].電源技術，2006，30(6):504-506.

[2]湯秀芬，米晨，魏鳳蘭.VRLA蓄電池用慢脈沖快速充電器的設計[J].電源技術，2008，32(1):56-58.

[3]洪志杰.智能充電器模糊控制技術的研究[J].微計算機信息，2007，23(8):81-82.

[4]周莉，張梅.鉛酸蓄電池高效、快速、無損充電研究[ J] .煤礦機械，2004(5):22-25.

[5]MELIN Patricia， CASTILLO Oscar. Intelligent control of complex electrochemical system with a neuro-fuzzy-genetic approach[ J] . IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2001，48(5):951-955.

[6]王丹，謝永成.坦克鉛酸蓄電池快速充電模糊控制研究[J]. 裝甲兵工程學院學報，2003(6):91-93.

[7]王耀南，孫煒.智能控制理論及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[8]李敬兆.采用神經網絡預測和變結構模糊控制的鉛酸蓄電池最優(yōu)充電技術研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2003.

[9]HSIEH Guan-chyun， CHEN Liang-rui， HUANG Guo-shun. Fuzzy-controlled Li-Ion battery charge system with active state-of-charge controller[ J] . IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2001， 48(3): 585-589.

[10]ULLAH Zafar. Fast intelligent battery charging:neural-fuzzy approach[ J] . IEEE AES Systems Magazine， 2002， 6: 26-28.

[11]劉長亮，郭相，劉琳，等.基于模糊控制的無人機應急電源快速充電方法[J].現(xiàn)代電子技術，2009，32(16):199-201.